水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地處理方法

夏保國

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040)

0 引言

水輪發(fā)電機(jī)是水電站的主要設(shè)備，運行安全與否，直接影響到每個水電站的經(jīng)濟(jì)效益，同時也直接影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定的供電。水輪發(fā)電機(jī)組長期運行過程中，存在各種安全隱患，其中轉(zhuǎn)子接地對機(jī)組的安全運行危害最大，且查找原因相當(dāng)困難，特別是動態(tài)接地故障與磁極旋轉(zhuǎn)有關(guān)，靜止?fàn)顟B(tài)下接地現(xiàn)象消失，這就給故障點的查找和處理增加了難度。要求技術(shù)人員具備安全意識，及時發(fā)現(xiàn)和消除轉(zhuǎn)子接地故障。

1 轉(zhuǎn)子接地的原因

轉(zhuǎn)子接地的原因有很多，主要有以下四方面:(1)工作人員在勵磁回路上工作時，因不慎誤碰或其他原因造成轉(zhuǎn)子接地;(2)轉(zhuǎn)子集電環(huán)、磁極、引線等部位絕緣損壞;(3)機(jī)組長期運行絕緣老化，轉(zhuǎn)子繞組絕緣局部過熱老化引起轉(zhuǎn)子接地;(4)勵磁回路污垢等引起轉(zhuǎn)子接地。

2 轉(zhuǎn)子接地種類及處理方法

2.1 轉(zhuǎn)子一點接地及處理方法

轉(zhuǎn)子回路一點接地時，因線圈與地面尚未形成電流回路，故障點無電流通過，勵磁系統(tǒng)仍保持正常狀態(tài)，不影響機(jī)組的正常運行，對發(fā)電機(jī)無直接危害。但一點接地后，勵磁回路對地電壓升高，容易引發(fā)第二點接地，危害很大。

判定轉(zhuǎn)子一點接地:檢查“轉(zhuǎn)子一點接地”信號是否能夠復(fù)歸，若能復(fù)歸，則為瞬時接地;若不能復(fù)歸，應(yīng)檢查轉(zhuǎn)子一點接地保護(hù)是否正常，若正常，則可測量正、負(fù)極對地電壓，鑒定是否發(fā)生了接地;若發(fā)現(xiàn)某極對地電壓降到零，另一極對地電壓升至全電壓(正、負(fù)極之間的電壓值)，則可確定發(fā)生了一點接地。

轉(zhuǎn)子一點接地處理方式:(1)檢查勵磁回路各部位有無明顯損傷或因污垢接地，若因臟污接地，應(yīng)及時進(jìn)行吹掃;(2)對有關(guān)回路進(jìn)行詳細(xì)外觀檢查，必要時輪流停用整流柜，以判斷是否由于整流柜直流回路接地引起;(3)檢查區(qū)分接地是在勵磁回路還是在測量保護(hù)回路;(4)若轉(zhuǎn)子接地為一點穩(wěn)定金屬性接地，且無法查明故障點，除加強(qiáng)監(jiān)視機(jī)組運行外，盡快停機(jī)檢查;(5)轉(zhuǎn)子一點接地運行時，若機(jī)組又發(fā)生欠勵磁或失步，一般可認(rèn)為發(fā)展到了兩點接地，這時轉(zhuǎn)子兩點接地保護(hù)啟動跳閘，否則應(yīng)立即人為停機(jī)。

水布埡水電站1#機(jī)組正式投入運行后不久，發(fā)生了轉(zhuǎn)子一點接地的問題，經(jīng)過對方排查，最終確定由于碳粉堆積導(dǎo)致轉(zhuǎn)子一點接地。

2.2 轉(zhuǎn)子兩點接地及處理方法

轉(zhuǎn)子兩點接地現(xiàn)象:當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組不同位置發(fā)生兩點接地或匝間短路時，轉(zhuǎn)子電流劇增，轉(zhuǎn)子和定子電壓降低，無功功率明顯降低，功率因數(shù)提高甚至進(jìn)相，機(jī)組振動較大。

轉(zhuǎn)子兩點接地的危害:(1)破壞發(fā)電機(jī)氣隙磁場的對稱性，使氣隙磁場不均勻發(fā)生畸變，氣隙磁通失去平衡，引起發(fā)電機(jī)的劇烈振動而損壞發(fā)電機(jī)、無功出力降低;(2)由于轉(zhuǎn)子兩點接地時，轉(zhuǎn)子電流增加很多，造成勵磁回路設(shè)備過熱甚至損壞;(3)如果其中一點接地發(fā)生在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部，轉(zhuǎn)子繞組也要出現(xiàn)部分過熱。

某公司水輪發(fā)電機(jī)組于1966 年5 月投入運行，運行良好，2005 年1 月17 日發(fā)生轉(zhuǎn)子接地事故。機(jī)組型號為:TS854/156-40，額定容量:l00MVA，額定電壓:13.8kV，額定電流:4180A，轉(zhuǎn)子電壓:320V，轉(zhuǎn)子流:1225A。

2005 年1 月17 日23:42 時計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)報警:“保護(hù)裝置報警動作”“轉(zhuǎn)子接地報警動作”，現(xiàn)場檢查保護(hù)裝置顯示Rg=3K(正常值為300K)，U2=192V(正常值約為127V 左右)，勵磁回路外觀檢查未發(fā)現(xiàn)異常，故障信號不能復(fù)歸。23:52 時停機(jī)檢查轉(zhuǎn)子接地故障，停機(jī)后轉(zhuǎn)子接地信號消失，斷開發(fā)電機(jī)滅磁開關(guān)，搖測轉(zhuǎn)子絕緣電阻R=200MΩ，空載試驗正常。

1 月18 日13:32 時并入系統(tǒng)，13:43 時信號相同，現(xiàn)場檢查保護(hù)裝置Rg=0.9K，U2=192V，測得轉(zhuǎn)子正極對地電壓約100V，負(fù)對地電壓約65V(總電壓165V)，故障信號也不能復(fù)歸，14:18 時發(fā)現(xiàn)保護(hù)裝置顯示Rg=300K，按復(fù)歸按鈕后轉(zhuǎn)子接地信號復(fù)歸。類似上述情況在以后幾天內(nèi)連續(xù)發(fā)生多次，停機(jī)檢查沒有發(fā)現(xiàn)任何異常情況。

根據(jù)上述異常現(xiàn)象分析，造成轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置動作報警的原因有三方面:(1)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置異常引起;(2)轉(zhuǎn)子磁極外圍設(shè)備(含功率柜、滅磁開關(guān)、轉(zhuǎn)子集電環(huán)、電刷、轉(zhuǎn)子引線等)故障引起;(3)轉(zhuǎn)子磁極存在接地現(xiàn)象。

現(xiàn)場檢查及處理過程:(1)檢查保護(hù)裝置接地(大軸)電刷的穩(wěn)固性，接觸性是否良好并進(jìn)行清潔，開機(jī)試驗故障依然存在，排除了因接地(大軸)電刷固定不穩(wěn)或沾上油污引起接觸不良而造成“假接地”現(xiàn)象;(2)對計算機(jī)保護(hù)裝置進(jìn)行檢查，裝置各項測量試驗數(shù)據(jù)正常，沒有發(fā)現(xiàn)異常情況。為了進(jìn)一步驗證計算機(jī)保護(hù)裝置本身不存在問題，1 月20 日17:40 時在機(jī)組保護(hù)外加接常規(guī)的轉(zhuǎn)子一點接地保護(hù)繼電器，開機(jī)試驗結(jié)果同樣出現(xiàn)“轉(zhuǎn)子接地報警”信號，這就說明計算機(jī)保護(hù)裝置本身是正常的;(3)對轉(zhuǎn)子磁極外圍設(shè)備(含功率柜、輸入輸出刀閘、滅磁開關(guān)、轉(zhuǎn)子集電環(huán)、電刷、轉(zhuǎn)子引線等)進(jìn)行認(rèn)真檢查，轉(zhuǎn)子回路整體外觀未發(fā)現(xiàn)明顯接地現(xiàn)象及局部放電痕跡，連接線頭緊固，分別測量各部位絕緣電阻良好，各項試驗數(shù)據(jù)正常，也沒有發(fā)現(xiàn)異常情況;(4)對轉(zhuǎn)子集電環(huán)、電刷、刷架進(jìn)行吸掃，開機(jī)試驗，一切正常，但轉(zhuǎn)子接地故障依然存在，關(guān)閉勵磁電流，跳開發(fā)電機(jī)滅磁開關(guān)，拉開可控硅功率柜輸人、輸出刀閘，用500V 兆歐表在轉(zhuǎn)子集電環(huán)處測量轉(zhuǎn)子絕緣電阻值在0.02-180MΩ 之間呈周期性擺動;(5)停機(jī)后拆除擋風(fēng)板，檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子17#、18#磁極引線與引線壓板螺母周圍燒成黑洞，拆下檢查發(fā)現(xiàn)引線壓板螺栓已燒損2/3。

磁極引線壓板螺母燒損原因分析:磁極引線壓板螺母松動，轉(zhuǎn)子磁極旋轉(zhuǎn)過程中在離心力的作用下，磁極引線與引線壓板螺母之間產(chǎn)生位移，加上電磁力和機(jī)械力引起振動的共同作用，使磁極引線與引線壓板螺母之間的絕緣磨損。當(dāng)機(jī)組在靜止?fàn)顟B(tài)時，由于磁極引線與引線壓板螺母之間分離，接地現(xiàn)象消失。當(dāng)機(jī)組旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子磁極引線與引線壓板螺母、螺栓、機(jī)架形成接地回路，產(chǎn)生動態(tài)接地放電現(xiàn)象，在引線壓板螺母周圍由于局部過熱燒成黑洞。

處理方法:對故障點進(jìn)行清掃，徹底清除碳黑，并對故障部位進(jìn)行修復(fù)處理，纏繞玻璃絲帶，涂上環(huán)氧樹脂漆，更換燒損引線壓板螺栓，打緊固定后，測量轉(zhuǎn)子絕緣電阻R=172MΩ，機(jī)組恢復(fù)備用。

機(jī)組開機(jī)又出現(xiàn)“轉(zhuǎn)子接地報警”信號，經(jīng)分析是之前處理不徹底。再次解決，先根據(jù)繞組電壓分布法判斷接地磁極位置大約在24#～25#之間，分別吊出24#，25#磁極，檢查發(fā)現(xiàn)25#磁極引線有放電燒黑跡象，對故障點清除碳黑、吹風(fēng)清掃，并進(jìn)行修復(fù)處理，引線包好絕緣后，25#磁極試驗合格后，分別將24#，25#磁極掛裝，在引線連接前，測得25#磁極絕緣電阻:3600MΩ，24#磁極絕緣電阻:1300MΩ。最終結(jié)果，各項測量試驗數(shù)據(jù)正常，機(jī)組開機(jī)試驗，轉(zhuǎn)子接地現(xiàn)象消除。

3 發(fā)電機(jī)容易接地的部位

發(fā)電機(jī)比較容易接地的部位，共有如下6 點

(1)勵磁電纜:主要是因絕緣老化的原因;

(2)刷架和滑環(huán):由于碳粉油污混合，造成刷架和滑環(huán)正負(fù)兩極間絕緣擊穿或接地絕緣處對地短路;

(3)大軸引線與滑環(huán)連接處:此處也易因污垢造成絕緣降低;

(4)大軸引線:有的大軸引線沒有采用全部外包絕緣而是裸匯流排形式，其對地絕緣處也易因污垢造成絕緣降低;

(5)磁極線圈主絕緣:主要也是因為污垢的原因造成絕緣降低，尤其是在磁極的上下兩個端部迎風(fēng)面;

(6)磁極連接線:有的轉(zhuǎn)子磁極之間的連接是磁極與磁極直接相連的，與轉(zhuǎn)子磁軛不相關(guān)聯(lián)，因此就不存在接地的問題;但有的轉(zhuǎn)子磁極間的連接是以磁軛為中介的，這種結(jié)構(gòu)就容易出現(xiàn)接地故障。發(fā)生故障的原因有以下兩方面:一是連接板與磁軛間的絕緣部分，與磁極主絕緣的情況類似;二是固定磁極連接線的固定螺栓(屬接地部分，與磁軛是直接金屬連接)與磁極連接線之間是通過絕緣套管絕緣的，如果套管破裂則可能造成接地，或檢修中由于粗心大意少裝了絕緣套管也會造成接地，這種情況屬于金屬性接地，由于懸空可能在轉(zhuǎn)子靜止時測試還發(fā)現(xiàn)不了，但會在以后的運行中暴露出來，這種情況還可能由于多點接地造成繞組部分短路，這種漏裝絕緣管的例子無論在安裝階段，還是檢修過程中時有發(fā)生。

4 結(jié)語

由于轉(zhuǎn)子磁極在旋轉(zhuǎn)過程中受離心力以及電磁力、機(jī)械力引起振動的共同作用下，造成磁極松動，引線部分反復(fù)受牽拉作用，絕緣損壞后產(chǎn)生接地故障，這種動態(tài)接地故障與磁極旋轉(zhuǎn)有關(guān)，靜止?fàn)顟B(tài)下接地現(xiàn)象消失，造成轉(zhuǎn)子接地原因查找難度很大。為確保水電站長期安全穩(wěn)定運行，對轉(zhuǎn)子接地要有正確的認(rèn)識，及時發(fā)現(xiàn)問題，及早查找原因，尤其對于轉(zhuǎn)子動態(tài)接地故障要根據(jù)實際情況來查找接地點。

［1］ 陳俊，談濤.發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組接地故障定位功能的商榷［J］.電力系統(tǒng)自動，2011.11.

［2］ 哈爾濱大電機(jī)研究所.水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計與計算.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

［3］ 吳延濱.大型發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子接地保護(hù)運行分析［J］.大電機(jī)研究所，2009.2.

［4］ 陶瑞基，黃春明.發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動態(tài)接地故障的處理［J］.電器應(yīng)用，2011.8.

［5］ 陳文添.水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點接地的分析與查找［J］.廣西電力，2005.(3).